复合地层泥水盾构近距离下穿成型隧道施工技术研究.pdf
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1、中文科技期刊数据库(全文版)工程技术 172 复合地层泥水盾构近距离下穿成型隧道施工技术研究 王 力 中铁上海工程局集团有限公司城市建设分公司,上海 201900 摘要:摘要:以福州地铁滨海快线 1 标段工程为依托,深入研究了强风化花岗岩(砂土)、全风化花岗岩(碎块)、中风化花岗岩等上软下硬复合地层条件下浆土压力双模平衡盾构施工技术,通过施工前期的施工调查、推进参数分析、总结出盾构近距离下穿成型隧道施工过程中推进参数的控制、盾构停机应急机制、同步注浆及二次注浆工艺及整个穿越前后自动化监测等施工工艺技术。关键词:关键词:泥水平衡盾构;近距离下穿;盾构施工工艺;自动化监测 中图分类号:中图分类号:
2、U455 0 引言 近年来,城市轨道交通发展迅猛,城市地铁、公铁隧道以其对周围环境影响较小、经济效益高等特点而被广泛应用。然而,由于盾构穿越地质构造的复杂性,使其技术面临诸多挑战。田兆平1依托济南黄河隧道工程,对高水压粉土、粉砂层中大直径泥水平衡盾构下穿黄河堤坝施工中堤坝沉降变形规律进行了总结分析。李成宝2以京津城际延伸项目大直径泥水盾构施工为背景,提出了盾构穿越延线风险点的技术措施。彭华3等通过数值模拟、现场测量和盾构施工参数控制,分析了盾构施工过程中碎石路基沉降的时间变化和沉降槽的发展趋势。尽管国内外对泥水盾构隧道施工技术问题进行了一系列研究,但针对泥水平衡盾构近距离下穿成型隧道的处理措施
3、,未给出具体解答。本文以福州地铁滨海快线 1 标段工程为背景,对地铁 4 号线泥水盾构近距离贯通成型隧道的施工技术进行了深入研究,通过施工前期的施工调查、推进参数分析、总结出盾构近距离下穿成型隧道施工过程中推进参数的控制、盾构停机应急机制、同步注浆及二次注浆工艺及整个穿越前后自动化监测等施工工艺技术。1 工程概况 福州地铁滨海快线 1 标工程福州火车站(原福州火车站站)东门站(原塔头站)区间位于福州市晋安区和鼓楼区,线路出福州火车站后沿着华林路、六一北路向南行进至东门站。该段分为两部分:开挖段和盾构段。该盾构段与现有的福州地铁4号线相衔接。盾构隧道段为单线单洞段,区间隧道最大覆土厚度约33m
4、最小厚度约为 3m,中间主要穿越地层为淤泥(2-4-1)、粉质粘土(3-1-1)、粉质粘土(4-1-1)、残积砂质粘性土(5-2)、全风化花岗岩(6-1)、砂土状强风化花岗岩(7-1)、碎块状强风化花岗岩(7-2)、中风化花岗岩(8-1),穿越地层变化较大,地下水水位高,区间共设置 4 个联络通道,该盾构区间剖刨面图如图 1 示。图 1 盾构区间剖刨面图 1.1 下穿地铁 4 号线概况 福州地铁 4 号线东门站三角池站区间已洞通,衬砌管片外径 6.2m,内径 5.5m,管片厚度 350mm,快线区间盾构施工穿越期间处于热滑阶段。图 2 快线与 4 号线平面关系图 中文科技期刊数据库(全文版)工
5、程技术 173 图 3 快线与 4 号线纵面关系图 快线区间在此处隧顶埋深约 20.7m,以约 90下穿 4 号线既有隧道,快线左右线下穿 4 号线左右线里程分别为 28.736m、28.267m,左右线盾构始发后掘进23m(第 9 环)后开始下穿,4 号线右线与快线右线竖向净距 2.64m,与左线竖向最小净距约 2.37m,4 号线左线与快线右线竖向净距 2.92m,与左线竖向净距约2.66m,下穿 4 号线平面位置关系,如图 2、3 所示。快线东门站端头加固及始发方式:端头采取袖阀管注浆加固+钢套筒+降水井形式。袖阀管加固至隧道上、左、右各 4m,下部加固至8-1中风化花岗岩岩面(左线隧道
6、底以下 3m,右线隧道顶以下 5.625m),布置 3 口应急降水井,管径 250mm,井深 34.2m(隧道底以下 6 米)。1.2 下穿段地质、水文情况 1.2.1 地质情况 通过地质详勘以及补勘揭示,盾构隧道下穿既有 4号线地质自上而下为杂填土1-2、淤泥2-4-1、全风化花岗岩6-1、强风化花岗岩(砂土状)7-1、全风化花岗岩(碎块状)7-2、中风化花岗岩8-1,区间交叉位置地质快线区间主要位于砂土状强风化花岗岩(7-1)、碎块状强风化花岗岩(7-2)及中风化花岗岩(8-1),如图 4 所示。图 4 快线与 4 号线交叉位置地质纵剖图 1.2.2 水文情况 该区间隧道所处地层主要包含地
7、表水和地下水,其中穿越 4 号线隧道区段主要以地下水为主。地下水按产状分为四类:上部滞水、松散岩石孔隙水、残积土风化岩石孔隙裂隙水和基岩裂隙水。2 工程重难点分析 2.1 穿越期间土体扰动造成沉降 2.1.1 风险分析 盾构掘进过程中难以避免产生沉降,在穿越隧道期间,一旦沉降过大,超过限值,将影响既有 4 号线隧道结构及运行安全。盾构掘进引发的沉降主要分为四个阶段,结合本工程地质情况,在穿越既有线盾构掘进期间沉降主要在第二阶段(开挖下沉或隆起)、第三阶段(通过时下沉或隆起)、第四阶段(通过后下沉)。2.1.2 针对性措施(1)盾构下穿前,与产权单位沟通,在盾构穿前,对地铁 4 号线隧道内注浆加
8、固,管片拉紧装置安装等措施,做好对保护措施。(2)针对第二阶段沉降:根据始发段掘进参数及以往福州地区类似施工经验,结合监测数据,及时优化调整掘进参数,减小开挖对沉降影响。(3)针对第三阶段:掘进过程中,严格控制同步注浆参数,及时填充开挖形成的间隙,保证上方土地稳定;减少浆液初凝时间及收缩率,确保浆液填充完整。(4)针对第四阶段:用二次注浆对管片壁后土体进行间隙填充及加固,减少因盾构掘进造成的地层扰动、松弛而导致后续沉降的持续发展。(5)施工、设计、监理、业主和产权单位联合成立现场值班小组,根据地面和隧道监测数据,及时评估监测数据,并发布灌浆修正指令。2.2 盾构意外停机 2.2.1 风险分析
9、因设备故障、地质因素、泥水处理、管片供应、材料供应等问题造成盾构机停机超过 6 小时即视为意外停机。停机期间不采取措施易造成盾构前方土体整体沉降且沉降范围扩大、盾构复推时总推力急剧增大,刀盘卡死等问题。中文科技期刊数据库(全文版)工程技术 174 2.2.2 针对性措施 盾构机停机措施:(1)在盾体四周,通过盾构机经向注浆孔注满膨润土,保持盾构机上方土体稳定。(2)通过膨润土系统来保持泥水仓压力。(3)在既有隧道范围内停机,加强隧道沉降监测,及时反映地层变形情况;在隧道范围外,加大对隧道和地面的检查力度,确保盾构机和地面环境的安全可控。(4)停机期间间隔 3h 旋转刀盘(3r),其中刀盘顺逆转
10、向交替选择。(5)停机前预留保压推进条件,停机期间间隔 12h,盾构机掘进 2050mm,防止盾体固结。2.3 盾构穿过上软下硬地层 2.3.1 风险分析 该区间下穿地铁 4 号线期间处于上软下硬地层,进入上软下硬地层时刀具在硬岩切削慢,软土切削速度快,在这种情况会使盾构机产生向上抬移,因而在掘进中就会对软土地层产生较大扰动,甚至由于泥水压力的失衡,引起地层出现较大的沉降。上软下硬还易造成滚刀受瞬间撞击崩裂刀圈、异常损坏及滞排堵仓等。2.3.2 针对性措施(1)针对该区间地层特性选用中铁装备泥水土压双模复合式盾构机2台(中铁装备1018号和1019号),刀盘选用耐磨性能好、破岩性能强的复合刀盘
11、,见图 5。图 5 盾构机(2)针对性设计了大流量泥水循环系统,刀盘设计搅拌棒主动 4 个,被动 2 个对泥水仓底部进行搅拌防止滞排。(3)中铁装备盾构机在泥水仓中部和气垫仓底部设置高压冲刷喷口,可根据土质要求,设置冲刷参数,避免仓内滞排。(4)该盾构机具备的气垫直排掘进模式、逆冲洗模式都能有效防止解决滞排问题。(5)控制掘进参数,监控刀盘扭矩变化,地面监测数据及时反馈至操作室以便调整掘进参数。3 下穿过程相关施工技术 3.1 技术准备 3.1.1 施工前期调查 穿越前对地铁 4 号线隧道进行详细调查,并对隧道结构安全性进行检测,根据检测结果采取相应措施,同产权单位签订安全施工协议。3.1.2
12、 穿越前施工技术总结 总结盾构始发到推进第 8 环施工参数,对泥水仓压力、刀盘转速、刀盘扭矩、推力、注浆量、泥浆参数指标总结,制定下穿地铁 4 号线盾构机施工参数。3.1.3 人员保证 在下穿地铁 4 号线隧道前,配备经验丰富的技术人员,在隧道内安排值班技术人员,洞内与现场监测人员保持联络,及时将监测信息传达给洞内值班技术人员及盾构司机,指导盾构施工。3.1.4 设备材料准备 盾构机穿越 4 号线前对盾构施工机械设备进行全面检查保养,对注浆系统进行系统调试,确保盾构机设备在穿越期间良好状态。同时下穿前盘点施工物资材料,准备充足,确保物资材料设备满足下穿需要。3.2 地铁 4 号线洞内注浆加固
13、在快线施工前在 4 号线隧道底部进行洞内注浆加固,加固平面范围:右线加固长度 31.72m,左线加固长度 30.51m,具体注浆范围详见下图中阴影部分。加固位置为隧道外轮廓底部 180范围进行二次注浆全加固,注浆范围外扩 2m。(1)浆液配制:按水灰比暂定为 1:1 配制浆液,具体配比根据现场试验调整参数,浆液搅拌均匀,随搅随用,并在初凝前用完,防止其它杂物混入浆液。注浆材料:自来水,普通硅酸盐 42.5R 水泥。(2)施工参数:中文科技期刊数据库(全文版)工程技术 175 1)依据地勘报告地质土体情况,注浆压力为外界水压力+0.30.7MPa。2)每孔每米平均水泥耗量 250300kg,根据
14、注浆情况参数适量调整。(3)浆液扩散半径受浆液配比、注浆压力、隧道埋深及地层渗透性等影响存在一定离散型,为保证隧底 180加固范围基本全覆盖,隧道轮廓外扩 1m2m范围内扩散半径不小于 1.0m,隧道轮廓外扩 1m 以内扩散半径不小于 0.8m,注浆需满足加固交圈。(4)地铁 4 号线内注浆加固多次、少量、均匀注浆,详细设定注浆孔位、流量、压力及注浆管拔管速度等。洞内注浆加固预留预埋管至道床上方,为后期跟踪注浆预留条件。(5)改良后土体强度为 0.8MPa,并有良好的均匀性。(6)其他加固要求:1)注浆管管径为 32mm,注浆芯管 22mm。2)试注浆压力为 0.20.5Mpa,从 0.2Mp
15、a 开始,如出现注浆注入不了或者出现喷涌应逐级加压,直至浆液能顺利注入为止保持稳压注入水泥浆,加压幅度为初始+0.05Mpa 上升。3)隧底加固结束标准:采用注浆压力、注浆量、隧道洞内监测上浮量控制。(7)盾构通过后的一段时间内需继续监测,并根据监测情况进行二次补充注浆,注浆按“少量多次”的原则,持续注浆至地铁 4 号线监测沉降稳定。加固长度范围详见剖面图 6,加固位置为隧道上部外轮廓180(靠近 4 号线车站位置为 150,具体详见下图)范围全加固,外扩 2m,注浆浆液及施工要求同 4 号线隧道内注浆加固措施。此处管片应预留注浆孔。图 6 快线与地铁 4 号线位置关系纵剖面图 3.3 地铁
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